来源：宇宙与科学百家号
韩国科学家领导的一个团队开发了一种新型全息显微镜。据说，新的显微镜可以“看穿”完整的头骨，并能够在不移除头骨的情况下，对活体小鼠大脑内的神经网络进行高分辨率3D成像。为了使用光仔细检查活体的内部特征，之前科学家需要向样品提供足够的光能，然后精确测量从目标组织反射的信号。然而，在活体组织中，当光照射细胞时，往往会出现多重散射效应和严重的像差，这使得难以获得清晰的图像。
在复杂结构（如活组织）中，光经历多次散射，这导致光子在穿过组织时多次随机改变方向。由于这个过程，光携带的许多图像信息被破坏。然而，即使是非常少量的反射光，也可以通过校正从待观察目标反射的光的波前失真来观察位于组织内相对较深的特征。然而，上述多次散射效应干扰了该校正过程。因此，为了获得高分辨率的深部组织图像，重要的是去除多个散射波并增加单个散射波的比率。
根据入射角的反射信号特性，如果物体较小或具有线性结构，即使入射角改变，单散射波的反射信号波形也保持相似。多个散射波的反射信号的波形即使在入射角稍微改变的情况下也没有相似性地改变。使用这些波阵面间特性，可以将单个散射分量和多个散射分量彼此分离。
两年前科学家们就开发了高速时间分辨全息显微镜，可以消除多次散射，同时测量光的振幅和相位。他们用这台显微镜观察了活鱼的神经网络，而没有进行切口手术。然而，在具有比鱼更厚的头骨的小鼠的情况下，由于光穿过骨骼结构时发生严重的光失真和多次散射，不去除或减薄头骨就不可能获得大脑的神经网络图像。
之后韩国科学家们设法定量分析了光和物质之间的相互作用，这使他们能够进一步改进之前的显微镜。在近期的一项研究中，他们报告了一种超深度三维时间分辨全息显微镜的成功开发，该显微镜允许观察比以往任何时候都更深的组织。
具体来说，科学家们设计了一种方法，通过利用即使从不同角度输入光也具有相似反射波形的事实，优先选择单个散射波。这是通过复杂算法和分析介质本征模（将光能传递到介质中的独特波）的数值运算完成的，这允许找到Z大化光波阵面之间的相长干涉（相同相位的波重叠时发生的干涉）的共振模式。这使得新的显微镜能够将80倍以上的光能聚焦在神经纤维上，同时选择性地去除不必要的信号。这允许单个散射波与多个散射波的比率增加几个数量级。
科学家们通过观察小鼠大脑继续演示这项新技术。该显微镜能够校正波前失真，即使在以前使用现有技术无法达到的深度。新显微镜成功地获得了头骨下小鼠大脑神经网络的高分辨率图像。这都是在可见光波长下实现的，不需要移除小鼠头骨，也不需要荧光标记。
“当我们头次观察到复杂介质的光学共振时，我们的工作受到了学术界的很大关注。从观察老鼠头骨下神经网络的基本原理到实际应用，我们结合物理学、生命和脑科学领域的人才的努力，为脑神经成像融合技术开辟了一条新的道路。”科学家们解释说。
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